對(duì)于螺旋焊管管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的考慮因素

孫　宏　編譯

(中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司華油鋼管公司　河北　青縣　062658)

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·經(jīng)驗(yàn)交流·

對(duì)于螺旋焊管管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的考慮因素

孫宏編譯

(中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司華油鋼管公司河北青縣062658)

對(duì)于鋪設(shè)于易于發(fā)生塑性變形地區(qū)的管道可以采用基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法。在這種情況下，不僅要考慮鋼管的強(qiáng)度和韌性性能，鋼管和焊縫金屬的應(yīng)變能力也變得至關(guān)重要。當(dāng)采用基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法時(shí)，使用螺旋焊管的主要挑戰(zhàn)是螺旋焊縫和材料的各向異性。為此，研究了高強(qiáng)度、高韌性螺旋焊管的拉伸應(yīng)變能力和容許缺陷。主要包括螺旋管生產(chǎn)過程中不同階段及成型角等對(duì)鋼管力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，成型角決定鋼管的各向異性。焊管生產(chǎn)過程中的機(jī)械變形階段(成型、擴(kuò)徑)、受熱過程(焊接及熱涂敷)等會(huì)顯著影響鋼管的局部或整體的強(qiáng)度、韌性及塑性性能。

螺旋焊管道；基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)；軸向應(yīng)變能力；成型角

0　引　言

對(duì)于鋪設(shè)在凍土、地震及滑坡等地域的管道，由于這些極端的負(fù)荷條件，管道可能承受超出鋼的彈性范圍的大變形量。因此管道設(shè)計(jì)不僅要考慮管道和焊縫金屬的強(qiáng)度和韌性，還要考慮其軸向應(yīng)變能力。在這些情況下應(yīng)該應(yīng)用基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)項(xiàng)目的具體工況，允許設(shè)計(jì)應(yīng)變可在2%～4%之間。

一條管道基本是由多根鋼管通過環(huán)縫焊接連接的。當(dāng)發(fā)生整體位移時(shí)，不利的情況是在環(huán)焊縫區(qū)域發(fā)生塑性變形。因?yàn)楣艿赖沫h(huán)焊縫出現(xiàn)焊接缺陷的可能性，所以管道的環(huán)焊縫屬于關(guān)鍵區(qū)域。當(dāng)環(huán)焊縫具備足夠的應(yīng)變能力時(shí)，管道就能夠在變形超出鋼的彈性范圍的情況下不發(fā)生失效，從而保證管道的結(jié)構(gòu)完整性?；趹?yīng)變的設(shè)計(jì)方法的管道項(xiàng)目通常采用UOE工藝制造的鋼管，其關(guān)鍵工藝如圖1所示。管線鋼管的另一種生產(chǎn)工藝是螺旋焊工藝，即螺旋成型與隨后的埋弧焊，如圖2所示。

圖1　UOE鋼管制造的主要工序

圖2　螺旋管成型過程的基本原理

出于經(jīng)濟(jì)效益原因，使用螺旋管的愿望持續(xù)提高。但是，一個(gè)主要疑慮就是螺旋焊管是否適合于基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的相關(guān)項(xiàng)目。螺旋焊管的生產(chǎn)過程更靈活且安裝成本低，所以經(jīng)濟(jì)效益顯著。本研究評(píng)估了影響螺旋焊管應(yīng)變能力的各主要因素。

大口徑螺旋焊管已被成功地用于石油和天然氣管道項(xiàng)目幾十年。管道運(yùn)營(yíng)商對(duì)螺旋管的評(píng)價(jià)通常都是正面的。目前認(rèn)為螺旋鋼管不如UOE鋼管主要還是因?yàn)槟承┞菪摴軓S的產(chǎn)品質(zhì)量較差，或者是由于缺乏管道運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

對(duì)于螺旋焊管管道在基于許用應(yīng)力和/或基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)項(xiàng)目的使用和設(shè)計(jì)，除了拉伸應(yīng)變能力還應(yīng)考慮其他因素?；跀?shù)個(gè)研究小組的工作可以得出以下結(jié)論：如果考慮現(xiàn)場(chǎng)冷彎、屈曲抗力、止裂、韌性撕裂、爆破試驗(yàn)等因素，螺旋鋼管能夠與UOE鋼管相當(dāng)或更好。

1　螺旋焊管成型

1.1制管鋼板的生產(chǎn)

石油和天然氣管道通常采用高屈服強(qiáng)度的API X60及更高鋼級(jí)。因?yàn)榍?qiáng)度越高，管道能承受的內(nèi)部壓力也越大，同時(shí)，對(duì)于高強(qiáng)度鋼還可以通過減小壁厚來降低鋼管的重量，從而降低管道的成本。為獲得足夠的可焊性和韌性的高鋼級(jí)管線鋼，通常采用TMCP工藝，TMCP工藝自身會(huì)造成板材的各向異性。各向異性主要表現(xiàn)在屈服強(qiáng)度、韌性及塑性。與軋制方向垂直的方向屈服強(qiáng)度最高，而與軋制方向平行的方向塑性和韌性最高。每個(gè)角度的數(shù)據(jù)取決于具體的工藝參數(shù)(如冷卻速率、冷卻溫度及板坯加熱溫度等)。板材的最低的屈服強(qiáng)度通常是軋制方向30°方向。API X70級(jí)管線鋼屈服強(qiáng)度的各向異性[管體橫向(TPA)對(duì)應(yīng)30°方向]能夠達(dá)到100 MPa。一般認(rèn)為晶粒形態(tài)和織構(gòu)造成了屈服強(qiáng)度的各向異性，采用更高的板坯加熱溫度和/或終止軋制溫度可以降低屈服強(qiáng)度的各向異性。

1.2螺旋焊管的成型特點(diǎn)

根據(jù)圖2，螺旋焊管制管鋼板的寬度B、成型角α和最終的平均直徑D具有如下關(guān)系，見式(1)及圖3。工業(yè)化生產(chǎn)的螺旋焊管直徑最大可達(dá)1 500 mm，壁厚25 mm，成型角從15°到50°。螺旋焊管不進(jìn)行冷擴(kuò)徑就可以實(shí)現(xiàn)窄幾何公差和很高的橢圓度精度。

(1)

圖3　不同板寬的成型角與鋼管直徑之間的關(guān)系

2　螺旋焊管的力學(xué)性能

2.1力學(xué)性能的各向異性

如前所述，材料的各向異性源于鋼的制造過程。制管后，各向異性方向則與鋼管的軸向成一定角度，與成型角有關(guān)?？梢栽谥乒茕摪迳险业綄?duì)應(yīng)鋼管橫向(TPA)和鋼管縱向(LPA)方向的方向，分別稱為TPAeq和LPAeq，如圖4所示。

圖4　板卷軋制方向與鋼管縱向和鋼管橫向之間的關(guān)系

根據(jù)式(1)和圖4可以發(fā)現(xiàn)如下關(guān)系。

TPAeq=RD+α

LPAeq=RD+(α-90°)

(2)

式中：RD為軋制方向；α為成型角。

以上所述意味著材料的特性主要取決于板材。圖5給出了分別對(duì)應(yīng)鋼管橫向(TPA)和鋼管縱向(LPA)方向的板卷的TPAeq和LPAeq方向各向異性。然而鋼管制造過程中的塑性變形和加熱能夠改變最終的應(yīng)力-應(yīng)變行為。

板卷以成型角α制成鋼管的過程會(huì)導(dǎo)致提高鋼管環(huán)向方向的定向加工硬化和位錯(cuò)密度。加工硬化的效果取決于鋼管的壁厚與管徑比。由于螺旋焊管的硬化效應(yīng)，鋼管縱向方向的屈服強(qiáng)度會(huì)更高，這會(huì)導(dǎo)致相比鋼管環(huán)向方向具有更高的塑性變形抗力。

圖5　與軋制方向成各個(gè)角度的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

要使之最具代表性，應(yīng)該考慮整個(gè)生產(chǎn)過程。從板卷到鋼管的前三個(gè)步驟是影響力學(xué)性能的主要因素。緊隨其后的是水壓試驗(yàn)，以確保足夠的強(qiáng)度及無泄漏。最后的涂層過程使鋼管經(jīng)受一次熱循環(huán)。當(dāng)比較制管鋼板與鋼管環(huán)向的強(qiáng)度性能時(shí)，發(fā)現(xiàn)了不同趨勢(shì)。根據(jù)筆者目前所了解的知識(shí)，這些趨勢(shì)的影響因素主要包括：試樣的幾何形狀、試樣準(zhǔn)備過程中的加工硬化、熱處理、殘余應(yīng)力和包辛格效應(yīng)等。需要進(jìn)一步研究制造過程及其對(duì)力學(xué)性能的影響。

例如，Collins等根據(jù)數(shù)根螺旋鋼管的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于鋼管環(huán)向方向采用圓棒試樣測(cè)得的屈服強(qiáng)度更高些。在鋼管的成型工程中，少量的冷變形會(huì)提高鋼管的平均屈服強(qiáng)度大約20 MPa。進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)理論產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力相當(dāng)于規(guī)定最小屈服強(qiáng)度100%時(shí)，發(fā)現(xiàn)鋼管的平均屈服強(qiáng)度提高約20～40 MPa。最后的熱循環(huán)工序又將屈服強(qiáng)度提高約40～80 MPa。對(duì)于全壁厚壓平板狀試樣的情況，根據(jù)從B級(jí)到X80鋼級(jí)螺旋焊管工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)試驗(yàn)結(jié)果，Thibaux等發(fā)現(xiàn)了較大差異的結(jié)果。Collins等根據(jù)壓平板狀試樣也發(fā)現(xiàn)了類似的趨勢(shì)。

對(duì)于基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)，希望最大強(qiáng)度方向是環(huán)向方向(TPA)，而最大塑性方向?yàn)榭v向方向(LPA)，這些是UOE鋼管的本質(zhì)特征，但是由于螺旋管的成型角度和制管鋼板的各向異性所以對(duì)螺旋管不一定具備。UOE鋼管和螺旋管的屈服強(qiáng)度(YS)的縱向橫向比和抗拉強(qiáng)度(UTS)的縱向橫向比見表1。

表1　UOE鋼管和螺旋管的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度特性比較

Bian等根據(jù)六根鋼管的研究發(fā)現(xiàn)，螺旋焊管和UOE鋼管均表現(xiàn)出良好的加工硬化。螺旋管生產(chǎn)過程中水壓試驗(yàn)的冷作硬化可用于提高屈服強(qiáng)度，這與UOE鋼管的擴(kuò)徑方式類似。UOE鋼管橫向的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度高于縱向方向。螺旋管的橫向強(qiáng)度指標(biāo)低于縱向。更高的環(huán)向方向強(qiáng)度對(duì)于實(shí)現(xiàn)UOE鋼管環(huán)焊縫的縱向強(qiáng)度過匹配具有優(yōu)勢(shì)。

2.2材料特性

鋼管屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的評(píng)估應(yīng)包括母材、焊縫及其熱影響區(qū)(HAZ)。強(qiáng)度的測(cè)試包括以下試樣方式：(1)小直徑圓棒拉伸試樣；(2)全壁厚板狀拉伸試樣，環(huán)向方向試樣需要壓平，這會(huì)引起一定量的冷作硬化和可能的包辛格效應(yīng)；(3)脹環(huán)試驗(yàn)方法，使用一個(gè)長(zhǎng)度約100～150 mm的管段，能夠代表整個(gè)鋼管厚度并且沒有冷壓平過程。

鋼管縱向方向拉伸試驗(yàn)通常采用全壁厚試樣。鋼管環(huán)向方向屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的準(zhǔn)確測(cè)試則采用脹環(huán)試樣。因?yàn)槊洯h(huán)試驗(yàn)裝置比較復(fù)雜，可以選擇替代方法，采用圓棒試樣確定屈服強(qiáng)度、全壁厚試樣確定抗拉強(qiáng)度。

在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)考慮焊縫區(qū)的幾何形狀和熱影響區(qū)性能。除了焊縫幾何形狀，硬度和熱影響區(qū)軟化對(duì)基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)也非常關(guān)鍵。焊縫的縱向性能可以通過缺口拉伸試樣確定。圖6給出了典型的X80鋼級(jí)螺旋焊管焊縫斷面的硬度分布。距內(nèi)表面和外表面1 mm處比較類似，焊縫金屬硬度值與母材相匹配。熱影響區(qū)軟化率大約為10%。壁厚中心焊縫的硬度低于內(nèi)表面和外表面。該結(jié)果符合預(yù)期，原因就是二次焊道會(huì)造成額外的熱輸入。

圖6　螺旋焊縫的橫截面及其對(duì)應(yīng)的硬度分布

焊接時(shí)幾乎不可避免會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這是局部焊接熱輸入及其相關(guān)局部變形造成的。對(duì)于直縫焊管(UOE鋼管)，殘余應(yīng)力按環(huán)向方向?qū)ΨQ分布。因?yàn)槁菪腹艿暮缚p成一定角度，其殘余應(yīng)力為非軸對(duì)稱分布。殘余應(yīng)力可以通過環(huán)切法評(píng)估。試樣為150 mm長(zhǎng)的管段。通過測(cè)量回彈、張開或軸向位移得出是否存在殘余拉伸和/或壓縮應(yīng)力及其位置。

3　結(jié)　論

當(dāng)基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的考慮因素應(yīng)用于螺旋焊管時(shí)，應(yīng)特別注意鋼管的軸向應(yīng)變能力。這種應(yīng)變能力不僅受

到制管鋼板力學(xué)性能的各向異性的影響，顯然還必須考慮后續(xù)制造過程中(成型、焊接、水壓試驗(yàn)和涂層工序)的機(jī)械變形和熱處理的影響。需要開展進(jìn)一步的研究以完全理解每個(gè)因素的影響和焊縫缺陷對(duì)鋼管局部和整體變形能力的影響。

編譯自K.Van Minnebruggen, W.De Waele, R. Denys,etc. Strain based design considerations for spiral welded pipelines[J].Sustainable Construction and Design Journal, 2012,3 (1).

Strain Based Design Considerations for Spiral Welded Pipelines Edited and Translated by

SUN Hong

(NorthChinaPetroleumSteelPipeCompanyofCNPCBohaiEquipmentManufacturingCo.Ltd.,Qingxian，Hebei062658，China)

Pipelines that are constructed in hostile environments where the occurrence of imposed plastic deformations can necessitate a strain based design approach. Under such conditions not only the strength and toughness properties have to be considered; also the strain capacity of pipe and weld metal become crucial. Considering the use of spirally welded linepipe sections when using strain based design approach, the helical seam weld and anisotropic material properties pose real challenges. In our work, the tensile strain capacity and defect tolerance of high strength, high toughness spiral pipes will be investigated. This paper briefly discusses the different steps in the spiral pipe manufacturing process and their influence on the mechanical properties of the pipe. The results show that the forming angle is a key parameter. Each mechanical operation (forming, expansion) and each thermal operation (welding, coating) will affect local or global strength, toughness and ductility properties of the pipe metal.

spiral linepipe; strain based design; axial straining capacity; forming angle

孫宏,男，1974年生，高級(jí)工程師，1995年畢業(yè)于四川聯(lián)合大學(xué)鑄造專業(yè)，工程碩士，從事石油輸送鋼管材料與試驗(yàn)技術(shù)工作。E-mail：sunhong1974@sina.com

TE973

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2096-0077(2016)04-0091-03

2016-03-02編輯：葛明君)